Por que 50 ou 75 ohms? Uma análise da escolha da impedância para os cabos coaxiais

Por Bill Schweber

Adaptado por Alisson, PR7GA

Hoje em dia, quando os Radioamadores pensam na impedância das linhas de transmissão de seus rádios, imediatamente vem na mente a impedância nominal de 50 ohms (Ω). Isso faz sentido, já que a totalidade dos rádios é projetada para este valor. Porém, longe do que se poderia pensar, este não é um número arbitrário; há boas razões técnicas para usar 50 Ω.

No entanto, também existem muitas aplicações de RF em que a impedância da linha de transmissão é de 75 Ω. São normalmente equipamentos e sistemas de vídeo e TV a cabo, amplificadores de distribuição e outros artigos para o consumidor final. Para estes usuários, 75 Ω é a impedância “normal”, enquanto 50 Ω é o valor "estranho".

O uso de duas impedâncias tão diferentes levanta algumas questões interessantes. Por que existem dois padrões de impedância? Por que possuem esses valores específicos? Qual é “melhor”, em quais casos e por quê? Usar uma ou outra realmente faz diferença e, se sim, de que forma?

Há muito mais por trás da história desses cabos coaxiais aparentemente simples e de seus conectores do que apenas um condutor interno sólido cercado por uma blindagem. Tecnicamente falando, o cabo coaxial é, na verdade, um guia de onda precisamente dimensionada para conduzir energia eletromagnética (Figura 1).

Figura 1: O cabo coaxial pode parecer algo simples, mas é, na verdade, um guia de onda para energia eletromagnética.
(Fonte da imagem: Bill Schweber, usando material de referência da DX Engineering)

As respostas para estas questões sobre impedância têm raízes tanto históricas quanto técnicas. Tudo começou com o trabalho realizado pelos engenheiros eletricistas Lloyd Espenscheid e Herman Affel, que desenvolveram o primeiro cabo coaxial em 1929, enquanto trabalhavam no lendário Bell Labs. 

O objetivo deles era encontrar uma linha de transmissão capaz de carregar um sinal de 4 megahertz (MHz), largura de banda necessária para transportar cerca de 1000 chamadas de voz analógicas ao longo de centenas de quilômetros. Fazer isso exigia uma linha de transmissão que pudesse lidar tanto com alta tensão quanto com alta potência.  

Os dois pesquisadores analisaram e colocaram na balança os principais parâmetros de linhas de transmissão, como atenuação, classificação de tensão e classificação de potência (Figura 2).

Figura 2: Entre os principais parâmetros das linhas de transmissão estão a atenuação, o nível de tensão e o nível de potência. Cada parâmetro tem um valor de impedância ideal diferente.
(Fonte da imagem: https://vk8bn.me/info/what-is-so-special-about-50-ohms/)

A análise avaliou o desempenho de três características em função da impedância, e os resultados foram os seguintes:  

1. Atenuação (perdas): É principalmente determinada pelo tipo de material que forma o dielétrico no cabo. Para o cabo coaxial com núcleo de ar que eles analisaram, a menor perda ocorreu em cerca de 77 Ω (em alguns dielétricos modernos, a perda mínima está em torno de 50 Ω, mas esses cabos ainda não existiam na época).  

2. Máximo de tensão: É dado em função da intensidade do campo elétrico entre a malha externa e o condutor interno do cabo coaxial. Para cabos coaxiais que suportam sinais de RF no modo TE10, o campo elétrico atinge seu máximo em torno de 60 Ω.  

3. Máximo de potência: É determinada pelo campo elétrico de ruptura (máxima tensão que o dielétrico suporta sem que ocorra um arco elétrico) e pela impedância (V²/Z). Para cabos coaxiais com núcleo de ar, operando abaixo da frequência de corte do modo TE11, a potência transportada atinge seu máximo em torno de 30 Ω.  

Portanto, temos três valores ótimos de impedância para cada parâmetro desejado. Como na maioria das questões de engenharia, não existe um valor de impedância perfeito ou “ideal”; em vez disso, a escolha  envolve estabelecer um equilíbrio. O valor de 50 Ω é um bom compromisso entre potência e tensão, especialmente na saída de um transmissor. Por outro lado, para situações em que a menor atenuação é o principal objetivo, como nas antenas de TV num link de vídeo analógico, 75 Ω é uma escolha melhor.  

Além disso, há outro motivo para escolher 75 Ω . A impedância “natural” de uma antena dipolo de meia onda em sua frequência ressonante é de 73 Ω. Já a impedância de um dipolo dobrado, outro modelo popular de antena, é de 300 Ω. Isso significa que um cabo de 75 Ω é uma escolha ideal para o dipolo comum e também é fácil adicionar um transformador de impedâncias para "casar" o dipolo dobrado com o cabo de 75 Ω. 

[Nota do Tradutor: embora a afirmação sobre utilização de cabos de 75 Ω em dipolos seja válida, aqui no Brasil isto é altamente desaconselhado, já que os cabos que temos no mercado, utilizados em instalações de CATV, TV digital e por assinatura são EXTREMAMENTE ruins, arruinando qualquer vantagem trazida pela sua utilização. Assim, é recomendado utilizar bons cabos de 50 Ω ao invés de aventurar-se com maus cabos de 75 Ω.]

Tipos de cabos coaxiais e conectores  

A maioria dos cabos utilizados em nossas estações têm seu modelo iniciado em "RG", que vem de "Radio Guide", que tem sua origem na especificação militar original da Segunda Guerra Mundial para cabos coaxiais.  

Embora existam bem mais de cem variedades de cabos RG-X, quase todas possuem uma impedância nominal de 50 Ω ou 75 Ω. A diferença entre as várias versões está no tamanho físico, nas especificidades do isolamento, no tipo e desempenho da blindagem, no material e construção do dielétrico, na capacidade de potência, na robustez frente a condições climáticas, nas classificações contra fogo, entre outros fatores. 

Os fabricantes oferecem diversos tipos de cabos RG, geralmente em grandes rolos. Por exemplo, entre seus muitos cabos de 50 Ω, a empresa norte-americana Belden Inc. oferece o modelo RG-8/U com um condutor interno de 22 AWG composto por sete fios de 30 AWG em um rolo de 100 pés (Figura 3) e o RG-58A (condutor interno sólido de 20 AWG) em um rolo de 500 pés (Figura 4). Para aplicações de 75 Ω, eles possuem o RG-6U com um condutor interno sólido de 18 AWG e o RG-59U (ambos em rolos de 500 pés), com um condutor interno sólido de 20 AWG.

Figura 3: Este cabo coaxial RG-8 de 50 Ω usa um condutor interno de 22 AWG composto por sete fios de 30 AWG. 

Figura 4: Este cabo coaxial RG-58 de 50 Ω possui um condutor interno sólido de 20 AWG. 

Além do cabo coaxial em si, é necessário terminá-lo com um conector projetado para a impedância correta, bem como para o tamanho do cabo coaxial e a blindagem. Entre os conectores comumente usados para cabos coaxiais de 50 Ω está o universal PL-259, conhecido erroneamente no Brasil como conector UHF (Figura 5), assim como o conector de banda larga Tipo N (Figura 6).

Figura 5: Este conector PL-259 para cabo coaxial de 50 Ω ainda é amplamente usado nos nossos rádios, apesar de sua idade e baixo rendimento nas faixas altas de VHF e superiores. (Fonte da imagem: Amphenol RF)

Figura 6: O conector Tipo N é uma alternativa mais recente e de banda mais larga ao PL-259 para cabos de 50 Ω. (Fonte da imagem: Cinch Connectivity Solutions)

Figura 7: Muitos sistemas de 75 Ω, especialmente em produtos para o usuário comum de baixo custo, utilizam o conector Tipo F.

Figura 8: Desenvolvido durante a Segunda Guerra Mundial, o conector BNC ainda é amplamente usado, especialmente em sistemas de teste e instrumentação. Ele está disponível em versões de 50 Ω e 75 Ω, com diferenças importantes entre si, mas aparência muito similar. (Fonte da imagem: Wikipedia)

Os conectores mencionados são apenas alguns dos conectores disponíveis para cabos coaxiais. Contudo, novos conectores apareceram nos últimos anos para cabos coaxiais mais finos e de baixa potência usados em muitos dos produtos atuais.

Fonte: https://www.digikey.com.br/pt/blog/the-reasons-for-50-ohm-and-75-ohm-transmission-lines

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